Este trabalho envolve a avaliação da eficiência energética em um sítio industrial, que contém três plantas de produção de polietilenos, utilizando conceitos da análise pinch associados com heurísticas e técnicas de projetos. Na primeira etapa do trabalho, foi realizada uma análise preliminar, na qual foram verificadas as possibilidades de melhorias nas condições de operação das unidades. Com esta avaliação, obteve-se uma economia de 500kg/h de vapor de baixa pressão com a simples alteração na sua pressão de fornecimento para uma das unidades. Na seqüência, com base no conhecimento dos processos e na avaliação das curvas compostas das unidades, verificou-se o potencial de integração energética das plantas individualmente, selecionando-se uma unidade (Planta 3) para ser reprojetada. Para esta unidade foram eliminadas do problema as correntes utilizadas em condições esporádicas, as correntes fora da faixa de integração e, por fim, aquelas cuja integração seria demasiadamente complexa. Após estas simplificações, verificou-se o Ponto de Estrangulamento Energético da unidade, os trocadores que empregam utilidades de uma forma inapropriada, o consumo atual e o mínimo de vapor. Com base nestas informações foram verificadas as modificações estruturais na rede de trocadores de calor da Unidade 3 que resultariam em uma unidade energeticamente mais eficiente. Para isto, utilizou-se o programa Aspen Pinch (da Aspen Tech) que gerou uma lista com vinte possibilidades de adição de novos trocadores. Considerando-se somente as modificações com economia superior a 200kW e as restrições de segurança, layout e controle, apenas duas oportunidades foram detalhadas. A primeira delas, foi o aproveitamento do vapor de flash resultante da expansão do condensado de média pressão da unidade. A segunda oportunidade envolveu a adição de um novo trocador, que foi projetado utilizando-se o programa Bjac conjuntamente com o Aspen Plus. Ambas as oportunidades foram avaliadas economicamente, apresentando Taxas Interna de Retorno muito superiores à Taxa mínima de atratividade de 15% considerada neste trabalho.

Um estudo foi realizado com a finalidade principal de investigar de que maneira a teoria de transferência de calor por radiação em meios participantes pode ser melhor aplicada na resolução de problemas de troca de energia no interior de cavidades que se assemelhem a fornalhas industriais. Verificou-se que as superfícies internas da maioria das fornalhas podem ser consideradas cinzentas e difusoras, o que facilita a aplicação de modelos de soma ponderada de gases cinzas. Sendo assim, as maiores dificuldades aparecem quando a geometria da cavidade é complexa. Com o método de Monte Carlo, é possível resolver problemas com características geométricas bastante complexas, bem como considerar efeitos espectrais e direcionais, quando necessário. Este método foi, então, aplicado, em conjunto com o método da zona, na elaboração de três códigos computacionais, que são capazes de determinar áreas de troca totais em cavidades onde as paredes e o gás são cinzas. Um deles pode ser aplicado a cavidades paralelepipédicas; outro, a cilíndricas. Tanto no primeiro, quanto no segundo, as dimensões podem assumir qualquer valor. Com o terceiro código computacional, é possível obter-se áreas de troca totais entre zonas de cavidades que têm geometria genérica formada a partir de combinações de cubos. Resultados obtidos através dos três códigos computacionais foram comparados com outros disponíveis na literatura.

Neste trabalho apresenta-se uma análise numérica tridimensional dos campos de temperatura e velocidade em reservatórios térmicos cilíndricos. Estuda-se o fenômeno da convecção natural laminar e a estratificação vertical da temperatura, que tem grande importância no desempenho de diversos sistemas térmicos, tais como os sistemas de aquecimento de água por energia solar. O código computacional escrito em linguagem FORTRAN resolve as equações da quantidade de movimento e da energia nas três dimensões pelo Método dos Volumes Finitos em malha estruturada. As simulações tridimensionais transientes do processo de resfriamento mostram a formação e evolução do perfil estratificado de temperatura ao longo do tempo. Observa-se a presença de recirculações na região superior do reservatório e a formação das camadas limites térmica e hidrodinâmica próximo das paredes. Através de estudo experimental realizado em paralelo, determinou-se os perfis de temperatura para diversos instantes do processo de resfriamento de um reservatório térmico cilíndrico. Obteve-se também perfis experimentais de temperatura para o caso de consumo de água quente e ingresso de água fria. Em todos os ensaios, além dos perfis de temperatura, mediu-se também as variações da temperatura ambiente. Utilizou-se os dados experimentais colhidos como condição inicial e de contorno para as simulações, possibilitando assim a confrontação numérico versus experimental para a validação da solução numérica. A partir das diversas simulações realizadas, obteve-se correlações para o coeficiente de transferência de calor e para o grau de estratificação térmica no interior do reservatório. Realizou-se ainda a simulação de casos considerando o reservatório térmico interligado a coletores solares e investigou-se tanto a influência da posição do jato de entrada quanto o uso de um anteparo defronte a este jato na preservação da estratificação térmica. Os resultados mostram que, para certas condições do jato de entrada, tanto a escolha adequada da posição do jato de entrada quanto o uso de um anteparo defronte a este jato permitem construir perfis de temperatura com melhor estratificação térmica. / This work presents a three-dimensional numerical analysis of the temperature and velocity fields in cylindrical thermal storage tanks. It is studied the phenomenon of the laminar natural convection and the vertical stratification of the temperature, that has great importance in the performance of diverse thermal systems, such as solar energy water heating systems. The numerical solution is obtained through the Finite Volume Method in structured mesh. The transient three-dimensional simulations of the cooling process show the formation and evolution of the profile of temperature along the time. It is observed the presence of recirculations in the top of the tank and the formation of walls thermal and hydrodynamic boundary layers. Through an experimental study, it was determined the profiles of temperature for several instants of time of the cooling process of a cylindrical thermal storage tank. It was also obtained experimental profiles of temperature for the case of outlet hot water and inlet cold water, as well as measured the ambient air temperature. In some cases the numerical simulation applied experimental data as initial and boundary condition, in order to compare numerical and experimental results, for the validation of the developed computational code. From the simulations, it was obtained correlations for the heat transfer coefficient and degree of thermal stratification in the interior of the reservoir. Others simulations were made with the thermal thank connected to solar collectors, investigating the influence of the position of the inlet water jet, and the use of an inner flat plate in front of this jet, in the preservation of the thermal stratification. The results show that, for certain conditions of the jet, the adequate choice of its position, as well as the use of a flat plate, allows to obtain more stratified temperature profiles.

Neste trabalho, é apresentado um método numérico para obtenção da solução da equação da condução de calor. O método é baseado numa formulação explícita bidimensional em diferenças finitas que permite efetuar simulações em tempo real. A fim de reduzir o tempo de processamento, são empregados dois algoritmos auxiliares. O primeiro executa uma correção nas diferenças finitas que possibilita a resolução do problema em malha grossa. O segundo consiste em uma extrapolação temporal da distribuição de temperaturas que proporciona um aumento adicional na velocidade de processamento. Simulações numéricas são apresentadas. / In this work, a numerical method for solving the heat conduction equations is proposed. The method is based on a two dimensional explicit formulation in fin ite differences which allows to carry out real time simulations. In order to reduce the time processing of the numerical calculation, two auxiliary algorithms are employed. The first perform a correction over the finite differences, in order to solve the problem in a coarse mesh. The second consists in a time extrapolation of the temperature distribution, which provicies an additional increase in the processing speed. N umerical simulations are reported.

Neste trabalho, o método de Monte Carlo é aplicado à função distribuição de energia de corpo negro nas linhas de absorção (função distribuição ALB) para considerar o efeito espectral no cálculo da transferência de calor por radiação em meios participantes. A metodologia combina o robusto e flexível método de Monte Carlo com a função distribuição ALB, que incorpora simultaneamente o efeito de um grande número de linhas espectrais. A implementação proposta estabelece uma relação simples e direta entre a função distribuição ALB e a função distribuição cumulativa do método de Monte Carlo, o que facilita a implementação da técnica e proporciona eficiência computacional. A verificação da metodologia foi realizada através da comparação de seus resultados com uma série de soluções apresentadas na literatura utilizando-se tanto o modelo da somaponderada- de-gases-cinzas baseado nas linhas espectrais quanto a integração linha-por-linha, considerando meios participantes não-homogêneos e não-isotérmicos constituídos de vapor d’água, dióxido de carbono e espécies não-participantes. O método de Monte Carlo aplicado à função distribuição ALB foi utilizado na obtenção de vários resultados para avaliar as aproximações relativas ao modelo da somaponderada- de-gases-cinzas, de ampla aplicação em problemas de trocas radiantes em meios participantes. Foram consideradas cavidades unidimensionais e cilíndricas contendo meios isotérmicos e não-isotérmicos, homogêneos e não-homogêneos, constituídos de vapor d’água, dióxido de carbono e espécies não-participantes. Para a geometria cilíndrica, as distribuições de temperatura e concentrações das espécies químicas basearam-se em distribuições que podem ser encontradas no interior de câmaras de combustão. A análise mostrou que tanto as aproximações devido às concentrações das espécies químicas quanto aquelas devido ao modelamento do espectro de radiação podem levar a erros consideráveis, demonstrando a importância de se empregar modelos mais sofisticados. Para aumentar a eficiência do método de Monte Carlo, foi também desenvolvido o modelo dos pacotes de energia multi-espectrais, que considera que a energia dos pacotes é distribuída em diferentes comprimentos de onda. Este modelo proporcionou uma redução de quase 50% no tempo computacional para o caso teste proposto. / In this work, the Monte Carlo method is applied to the absorption-line-blackbody distribution function (ALB distribution function) to consider the effect of the spectrum in the calculation of radiation heat transfer in participating media. The methodology combines the flexible, robust Monte Carlo method with the ALB distribution function, which simultaneously incorporates a large number of the spectral lines. The proposed implementation establishes a simple, direct relation between the ALB distribution function and the Monte Carlo cumulative distribution function, which makes it easier to implement the technique and leads to computational efficiency. The verification of the methodology was accomplished with the comparison of the obtained results with a set of solutions that are presented in the literature, as obtained with the weighted-sum-of-gray-gases based on the spectral lines and with the line-by-line integration, considering non-homogeneous and non-isothermal media composed of water vapor, carbon dioxide and non-participating species. The Monte Carlo method applied to the ALB distribution function was employed to obtain various results to evaluate the approximations that arise from the weighted-sum-of-graygases, which is of large application in the radiation heat transfer in participating media. The solutions include both one-dimensional and cylindrical enclosures having isothermal and nonisothermal, homogeneous and non-homogeneous media, composed of water vapor, carbon dioxide and non-participating species. For the cylindrical geometry, the temperature and the concentration distributions were based on distributions that can be found in the interior of combustion chambers. The analysis showed that both the approximations due to the concentrations of the chemical species and due to the modeling of the radiation spectrum can lead to considerable errors, showing the importance of using more sophisticated models. To increase the efficiency of the Monte Carlo method, it was also developed the model of multispectral energy bundles, which considers that the energy of the bundles is distributed in the different wavelengths. This model reduced the computational time in 50 % for the proposed test case.

A utilização de canais compostos está bastante presente nos mais diversos campos da engenharia. Na engenharia mecânica, por exemplo, os problemas estão ligados à utilização destas estruturas no interior de trocadores de calor, reatores nucleares e até mesmo em equipamentos eletrônicos. Equipamentos nos quais o maior desafio é a maximização das taxas de transferência de calor. A acuracidade das relações que determinam a transferência de calor em trocadores de calor ou reatores nucleares, passa por uma análise dinâmica destes equipamentos, visto que suas características geométricas podem ser responsáveis pela formação de estruturas coerentes dentro do escoamento principal, que podem vir a serem importantes fontes de perturbações. A proposta deste trabalho é investigar experimentalmente as características do escoamento turbulento em alguns tipos de canais compostos fechados. Utilizando como técnica experimental a anemometria de fio quente. Nesse sentido, também foi investigado a influência dos parâmetros geométricos da seção, tanto na distribuição dessas quantidades quanto nas características dinâmicas do escoamento. No primeiro tipo o fluido é forçado a escoar entre duas placas paralelas de profundidade "p" e separadas por uma distância "d". Essas placas foram fixadas a uma das paredes laterais de um canal aerodinâmico. Na segunda seção as placas foram substituídas por feixes de seções retangulares, também fixados a mesma parede. Esses feixes também eram separados por uma distância "d". Na terceira o canal aerodinâmico foi dividido em dois. Os feixes da seção precedente foram movimentados para o centro, dando origem a dois subcanais principais conectados por uma fenda de largura "d" e profundidade "p". A quarta seção é uma simplificação das seções compostas por feixe de barras. Consiste em duas semi-circunferencias de raio externo igual a 66 mm. As semi-circunferencias foram postas uma em frente a outra, separadas também por uma distancia "d" As mudanças nos parâmetros geométricos das seções, profundidade, "p", largura da fenda, "d" e comprimento da seção "L", deram origem a 20 vinte diferentes seções. Os resultados mostraram, em todas as seções, o desenvolvimento de uma camada de mistura na direção principal do escoamento. Quanto as características dinâmicas do escoamento, estas parecem ser reguladas pelos perfis médios de velocidade. / Compound channels are present in many engineering areas, for example, in nuclear reactors, in cooling systems of electronic devices and in supply water channels. On the mechanical engineering field, the problems are linked to heat exchangers, nuclear reactor fuel elements and even electronic devices, where, the challenge is the rise in heat exchange rates. However, a good prediction on the heat transfer rates in compound channels, pass through the accuracy of the relations used: the heat exchange coefficient in heat exchangers or in nuclear reactors and correlations for the friction factors in a supplying channel. The dynamic analysis of these equipments, considering fluid structure interaction, is also important, since their geometric characteristics can be responsible for the formation of coherent structures on the flow that can become important sources of disturbances. The purpose of this work is the experimental investigation of the characteristics of the turbulent flow in compound channels and the influence of the geometric parameters of the section in its dynamic characterization. By using hot wire anemometry techniques, mean quantities and Reynolds stresses distribution were investigated in four kinds of compound channels. In the first one the fluid flows between two parallel plates, both attached on the lateral wall of aerodynamic channel. These plates have as important dimensional parameters their depth, "p", and width, "d". In second configuration the plates were replaced by rectangular bars. These ones also attached on the same lateral wall, apart from each other by a distance "d". In the third test section the aerodynamic channel was spitted in two. The bars attached on the lateral wall were moved to the middle channel, giving rise to subcahnnels connected by a narrow gap, with depth "p" and width "d". The last one was a rod bundle simplification. By using two semicircles, placed in front of one each other, it was possible to create a compound channel. Again, the topology gave rise two main subchannels connected by a narrow gap. Many changes were performed in the geometric parameters during the experiments. By modifying depth, "p", width "d" and the length, "L", enable us to get twenty different test sections. The results showed a mixing layer developing in the streamwise direction. As regards mean, normal and Reynolds stresses quantities, the experiments depicted self-preserving values when made dimensionless by local scales. According to results showed here, dynamical features are mainly ruled by mean axial velocity profile characteristics.

A manutenção da qualidade do processo com o uso da inspeção não destrutiva em equipamentos é vital para produção, seja em plantas de processo em terra ou em plataformas marinhas. Deve-se destacar a inspeção em permutadores de calor que são responsáveis pela troca térmica entre fluidos durante o processo, representando uma grande economia de energia. A inspeção de tubos de permutadores de calor pode ser realizada por diversas técnicas, cada uma apresentando suas vantagens e desvantagens, entre elas, pode-se destacar a técnica de inspeção por correntes parasitas. Tendo em vista a aplicabilidade desta técnica, este trabalho teve como objetivo estudar suas características, fazendo um detalhamento dos principais fatores que afetam sua realização e, por conseguinte, uma análise da resposta que cada tipo de descontinuidade fornece na inspeção. Permitindo com isso, uma avaliação mais detalhada da viabilidade da inspeção de tubos de permutadores de calor com essa técnica. Sua melhor aplicação encontra-se em matériais não ferromagnéticos e, para os materiais ferromagnéticos, pode-se utilizar outras técnicas que se utilizam das propriedades das correntes parasitas, apresentando bons resultados. / Maintaining the process quality with the use of non destructive inspection is vital to production, either on shore or off shore process plants. Of notice is the inspection of heat exchangers which are responsible for heat exchange between fluids in the process, representing in great energy saving. The inspection of tubes of heat exchangers can be performed by several techniques, each presenting its advantages and disadvantages, among them, one can highlight the Eddy current inspection. Focused in the application of this technique, this work aims to study its characteristics, analyze the main factors affecting its performance and, therefore, understand the response to each type of discontinuity during inspection. This work provides a more detailed assessment of the feasibility of non destructive inspection of heat exchanger tubes with this technique. Its best application is with nonferromagnetic materials while for ferromagnetic materials, one can use other techniques that use the eddy current properties with good results.

Apresenta-se uma tese de doutorado envolvendo uma análise numérica e experimental dos campos de temperatura e velocidade em armazenadores térmicos via calor sensível. A abordagem experimental é desenvolvida em um tanque cilíndrico vertical de aço inoxidável, com razão de aspecto (H/D) de aproximadamente 1,4. Mediu-se de forma sistemática a temperatura em 28 posições no interior do reservatório e 14 ao longo da sua parede. Os sensores utilizados são termopares, sendo a armazenagem e o processamento dos dados realizados em um sistema de aquisição de dados HP75000, associado a um computador. A abordagem numérica é realizada a partir de um modelo bidimensional, transiente, não linear, em coordenadas cilíndricas, utilizando o método dos volumes finitos, tanto em situações de escoamento em forma laminar quanto turbulenta. São apresentados resultados numéricos e experimentais. A validação experimental do modelo numérico é realizada em duas fases. Na primeira delas, chamada de resfriamento rápido, são utilizadas condições de contorno de isolamento perfeito no topo e base do reservatório, enquanto que a parede lateral, sem isolamento térmico, recebe condição de primeira espécie, fornecida pela leitura dos termopares. Na segunda etapa, resfriamento lento, o domínio computacional é aumentado de forma a incluir o isolamento térmico das paredes e demais componentes estruturais do reservatório, que passam a receber a condição de contorno de terceira espécie, mais realista. Também é implementada a condição de convecção mista decorrente da convecção natural e da convecção forçada, imposta pelos fluxos de entrada e saída no reservatório. Uma vez que neste caso haverá a ocorrência de zonas turbulentas e zonas relaminarizadas no interior do reservatório, um modelo de turbulência para baixos números de Reynolds é usado. Os resultados desta simulação também são validados com dados experimentais, os quais são obtidos com a implementação de um circuito hidráulico ao reservatório utilizado na análise da convecção natural. Como aplicação simula-se o resfriamento de tanques com diversas razões de aspecto e isolamentos térmicos. Os campos de temperatura obtidos com estas simulações são utilizados de duas maneiras. Na primeira delas é obtido o número de Nusselt médio em função da diferença de temperatura média do reservatório e a temperatura ambiente. O número de Nusselt é correlacionado em função da razão de aspecto, perdas térmicas para o ambiente e volume do reservatório. Na segunda etapa, estes resultados são comparados com os obtidos com os modelos simplificados de Múltiplos Nós, freqüentes na literatura aplicada no âmbito da energia solar. / This doctoral thesis presents a numerical and experimental analysis of the temperature and velocity fields in sensible heat storage tanks. The experimental analysis utilizes a cylindrical vertical stainless steel water tank, with aspect ratio (H/D) of 1.4. The temperatures at 28 points inside the reservoir were systematically registered as well as other 14 along its walls. Thermocouples were employed to sense these temperatures, being their output voltages measured by a computer controlled data acquisition system and recorded to the computer hard disk. The numerical analysis is made through a bidimensional, transient, non-linear model, in cylindrical coordinates. The finite volumes method was employed in laminar as well as in turbulent flow conditions. Both numerical and experimental results are presented in this work. The numeric model is experimentally validated in two stages. At the first one, named fast cooling, the boundary conditions are of perfect thermal insulation at the tank top and bottom, while its non-insulated vertical walls are submitted to a prescribed condition, provided by the temperature readings. At the second stage, named slow cooling, the computational domain is enlarged in order to include the walls insulation and other structural components of the tank, submitted then to the more realistic boundary condition of third kind. The mixed convection condition, originated from the natural and forced convection imposed by inlet and outlet flows, is also implemented. Because in this case there will be turbulent and relaminarized regions inside the tank, a model for low Reynolds number was employed. The results from this simulation were also validated with experimental data, obtained from the implementation of an external hydraulic circuit connected to the tank. As an example of application, the cooling of tanks with several aspect ratios and different types of insulation were simulated. The temperature fields obtained from these simulations were used in two ways. In the first one is obtained the average Nusselt number in function of the difference between the average temperature inside the tank and the ambient temperature. These results are correlated to the aspect ratio, thermal losses to the ambient and tank volume. To conclude, these results were compared to those obtained with Multiple Node models, commonly applied at the solar energy field.

Este trabalho tem como objetivo principal determinar a troca de calor em uma torre de resfriamento de grande porte, do tipo seca. A força motriz deste sistema é o empuxo resultante da diferença de temperatura entre o ar interior e exterior da torre. A partir de uma certa velocidade o vento externo também desempenha um papel importante. A convecção natural ocorre em regime turbulento, devido às grandes dimensões. A modelagem numérica é feita pelo Método dos Volumes Finitos com malhas criadas sobre Elementos Finitos, através dos softwares comerciais Fluent e CFX. Os resultados são obtidos para diferentes potências dissipadas no trocador de calor. A partir dos resultados são realizados estudos sobre a viabilidade de mudanças na geometria da torre, a fim de se obter melhorias no escoamento, bem como uma troca de calor mais eficiente. Faz-se ainda uma regressão a fim de obter correlações entre a potência dissipada no trocador de calor e a vazão mássica de ar necessária para a troca. Estas correlaçõoes são de utilidade, para aplicações posteriores, na implantação de um simulador para o processo de troca de calor nesta torre. O trocador de calor também é enfocado a fim de se determinar o coeficiente global de troca térmica, a fim de disponibilizá-lo para aplicação em outros trabalhos

Submitted by Felipe Lapenda (felipe.lapenda@ufpe.br) on 2015-03-06T13:37:56Z No. of bitstreams: 2 license_rdf: 1232 bytes, checksum: 66e71c371cc565284e70f40736c94386 (MD5) TESE Elvis Bergue Mariz Moreira.pdf: 10291507 bytes, checksum: b2c23937f8f1ebb54481a9914faf1029 (MD5) / Made available in DSpace on 2015-03-06T13:37:56Z (GMT). No. of bitstreams: 2 license_rdf: 1232 bytes, checksum: 66e71c371cc565284e70f40736c94386 (MD5) TESE Elvis Bergue Mariz Moreira.pdf: 10291507 bytes, checksum: b2c23937f8f1ebb54481a9914faf1029 (MD5) Previous issue date: 2014-02-25 / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / O conhecimento do balanço de energia e evapotranspiração em área urbana é de suma importância para o entendimento do clima local, podendo prover informações decisivas ao planejamento urbano. A pesquisa objetivou analisar a influência da superfície urbana nos componentes do balanço de energia e evapotranspiração na cidade do Recife PE, utilizando-se do algoritmo SEBAL (Surface Energy Balance Algorithm for Land ) e seis imagens do satélite Landsat 5 – TM, compreendendo as datas entre 06/08/1998 e 25/09/2011. Foram processadas cartas temáticas do NDVI (Normalized Difference Vegetation Index), temperatura da superfície, albedo da superfície, saldo de radiação, fluxos de calor no solo, sensível, latente e evapotranspiração real. Os resultados encontrados apontaram para alterações relevantes nas trocas dos fluxos de energia entre a malha urbana e atmosfera com predominância de altos valores de radiação disponível para aquecimento do ar próximo à superfície e na formação de zonas de calor. As unidades de conservação e corpos hídricos, em menor representação espacial, apresentaram resfriamento evapotranspirativo de aproximadamente 6,0 mm d-1, proporcionando o arrefecimento da temperatura do ar e contribuindo com a formação de ilhas de arrefecimento em escala local. A metodologia utilizada representou de forma consistente os fluxos de calor e massa dos diversos tipos de cobertura, apresentando-se de grande relevância na área de climatologia urbana, podendo promover um avanço significativo nas informações dos fluxos de energia da superfície disponíveis para o monitoramento do clima urbano face às mudanças ocorridas no espaço geográfico no decorrer dos anos.